Okulárová učebnica

AUTOR: AL NAGLER (autor je zakladateľom svetoznámej značky okulárov TeleVue)

Preklad Roman Luhový, preložené a publikované s písomným súhlasom Sky & Telescope Magazine

"Okuláre sú častokrát prehliadané ako možný zdroj horšieho výkonu teleskopu a vina sa zvaľuje skôr na objektív," napísal J.B.Sigdwick vo svojej klasickej príručke Amateur Astronomer´s Handbook vydanej 1955. Aj keď sa od tých čias v amatérskej astronómii zmenilo veľa, tieto slová sú platné aj dnes. Vezmime si Sigdwickov príklad pozorovateľa, ktorý použil istý druh okulára na teleskop s krátkym ohniskom a zistil, že obraz je podpriemerný.  Keďže zistil aj to, že pri použití okuláru s iným teleskopom s dlhým ohniskom dáva tento dobrý obraz, začal obviňovať zrkadlový objektív – aj keď by za to mohol byť zodpovedný práve použitý okulár.

Sigdwick tiež poznamenal: "Ideálny okulár existuje len v túžobných predstavách astronóma." Aj toto je pravda, no dnes už sú k dispozícii aj niektoré veľmi dobré okuláre. Základná prehliadka optiky teleskopu pomôže odhaliť čo sa dá alebo nedá od toho ktorého okulára očakávať.

Vizuálny svet okolo nás je guľový. Všetko v tejto guli vidíme v uhlových mierach, avšak pri pozemských objektoch robíme mentálnu konverziu a myslíme vo fyzických veľkostiach. V atronómii je ale praktickejšie myslieť v uhlových mierach. Mesiac sa nám javí ako 0,5°, pretože má priemer asi 2000 míľ (3200km) a je od nás vzdialený 240 000 míľ (384 000km). Ľubovoľný objekt, ktorý bude vzdialený 120-násobok svojho priemeru sa nám bude javiť ako 0,5°.

Uvažujme nad Mesiacom pozorovaným cez "štrbinový teleskop", ktorý má principiálne blízko k štrbinovej kamere. Keď 0,5° svetelných zväzkov z Mesiaca prenikne štrbinou, bude pokračovať po trajektórii vyznačenej na obrázku. (Vlastnosťou štrbiny je, že obraz za ňou je v ľubovoľnej vzdialenosti vždy zaostrený). Veľkosť tohto svetelného lúča vo vzdialenosti 120 palcov (305cm) za štrbinou je 1 palec (2,54cm).

Štrbinu môžeme nahradiť šošovkou, ktorej väčší otvor (apertúra) umožní viac svetla, čoho výsledkom bude jasnejší obraz. V prípade šošovky s ohniskovou vzdialenosťou 120 palcov bude veľkosť obrazu Mesiaca stále 1 palec. 

Pre zjednodušenie môže byť teleskop nahradený len štrbinovou optikou. (Miery a uhly použité na tomto obrázku sú príliš zveličené.) V zmysle príkladu z textu, 0.5° uhol tvorený Mesiacom vytvorí obraz o veľkosti 1 palec pri šošovke s ohniskovou vzdialenosťou 120 palcov. Jediný rozdiel medzi štrbinovým a šošovkovým objektívom je len v tom, že šošovka dokáže zachytiť svetlo z väčšieho priestoru a tak vyformovať jasnejší obraz.  Courtesy Al Nagler

Clonové f/číslo udávané pri šošovkách je podielom ohniskovej vzdialenosti a priemeru apertúry. Ak má naša šošovka priemer apertúry 10in (254mm), potom je pomer f/12 (120in/10in=12). Fotografovia vedia, že "rýchlejšie" fotoobjektívy (tie s menším f/číslom) vytvárajú jasnejší obraz, avšak v prípade vizuálneho pozorovania cez hvezdársky ďalekohľad nedokáže rýchly objektív sám osebe vyprodukovať jasnejší obraz. Viac o tejto problematike neskôr.

V praxi existujú aj ďalšie rozdiely medzi objektívom fotoaparátu a teleskopu. Vo všeobecnosti je objektív fotoaparátu konštruovaný tak, aby dokázal zachytiť väčší zorný uhol s menším clonovým f/číslom, zatiaľčo objektív teleskopu produkuje oveľa ostrejší obraz s obmedzeným zorným uhlom. Fotoaparát má v rovine, v ktorej sa vytvára obraz buď film alebo elektronický snímač, avšak v prípade teleskopu sa obraz vznáša vo vzduchu – kde ho pozorujeme so zväčšovacou lupou - okulárom.

Pozrime sa na obraz zo štrbinového teleskopu štrbinovým okulárom. Predstavte si kúsok matného skla v ohnisku, kde sa vytvára obraz. Ak zanedbáme exaktnú trigonometriu, môžeme povedať, že uhlové zväčšenie je pomerom ohniskovej vzdialenosti objektívu k ohniskovej vzdialenosti okuláru. Ak je ohnisková vzdialenosť okuláru 1in, potom výsledné zväčšenie bude 120/1=120x.

V takomto systéme musí byť zorný uhol okuláru veľmi veľký, ak s ním máme vidieť celý Mesiac naraz, pretože sa v podstate pozeráme na obraz o priemere 1in (2,54cm) len zo vzdialenosti 1in. Zorný uhol musí byť okolo 60°, čo dáva zmysel nakoľko 0,5° Mesiac sa javí 120-násobne väčší ako bez teleskopu.

Okulár je len zväčšovacím sklíčkom, ktorým sledujeme obraz vytvorený v ohnisku objektívom teleskopu. Okulár s ohn.vzdialenosťou 1 palec (25mm) v kombinácii s objektívom s ohniskom 120 palcov dá zväčšenie 120x. Takéto zväčšenie nezobrazí v okulári celý Mesiac naraz ak nebude jeho zdanlivé zorné pole aspoň 60°. Zdanlivé pole by mohlo byť menšie, ale rovnako by bol menší aj skutočný zorný uhol na oblohe.  Courtesy Al Nagler

Diagram znázorňuje trajektóriu svetla teleskopom keď nahradíme štrbinovú optiku šošovkami. Vidíme, že okulár plní dve úlohy: "kolimuje" každý kužel svetla vyformovaný objektívom do valcovitého lúča a tiež mení smer svetelných lúčov. Priemer vychádzajúceho svetelného lúča (nazývaného aj výstupná pupila - "exit pupil") je rovný priemeru vchádzajúceho lúča (nazývaného aj vstupná pupila – "entrance pupil" - vo všeobecnosti je to priemer objektívu), ktorý predelíme zväčšením. Veľké zväčšenia produkujú malé výstupné pupily, zatiaľčo malé zväčšenia veľké pupily.

Hoci sa dajú vybrať objektívy a okuláre s takými ohniskami, ktoré umožnia  ľubovoľné priemery výstupnej pupily, v praxi sa stretávame s istými obmedzeniami. Zrenička tme prispôsobeného ľudského oka je schopná otvoriť sa maximálne na 7mm (toto číslo s pribúdajúcim vekom klesá). Ak by bola výstupná pupila väčšia ako priemer zreničky, plná veľkosť apertúry teleskopu by ostala nevyužitá. Na druhej strane, ani svetelnosť ani rozlíšenie obrazu neutrpí pri tomto malom zväčšení.

Avšak veľká výstupná pupila predsa len môže spôsobovať jeden problém. Ak sa konštrukciou teleskopu vytvorí nejaká centrálna prekážka ako napr.diagonálne zrkadlo pri zrkadlovom Newtone alebo sekundárne zrkadlo pri Schmidt-Cassegraine, javí sa vo výstupnej pupile ako čierna škvrna s rovnakou relatívnou veľkosťou akú má sekundárne zrkadlo oproti objektívu. Takže, ak bude prekážka tvoriť 30% z priemeru objektívu, čierna škvrna bude tiež tvoriť 30% priemeru výstupnej pupily, alebo viac ako 2mm zo 7mm z vyššie spomenutej pupily. Pri nočnom pozorovaní, keď je zrenička oka doširoka otvorená by to nemusel byť problém. Avšak, počas pozorovania za denného svetla, kedy priemer zreničky oka je cca 2-3mm, zatienenie výstupnej pupily už može predstavovať nepríjemný problém. Naviac, táto prekážka sa premieta priamo na stred zreničky, takže zatieňuje práve tú časť oka, ktorá pracuje najlepšie.

Na druhej strane, pri príliš veľkých zväčšeniach a teda malých výstupných pupilách sa obraz (okrem obrazu hviezd) stáva nejasným, prejavujú sa atmosferické turbulencie, viac je na obraze cítiť aj nestabilitu montáže teleskopu a drobné čiastočky v očných buľvách možete začať pociťovať ako nepríjemné. Najmenšia využiteľná veľkosť výstupnej pupily je 0,5mm. Keďže výstupná pupila závisí od zväčšenia a veľkosti objektívu teleskopu, a keďže jej veľkosť by mala byť medzi 0,5-7mm, môžeme pre ľubovoľný teleskop jednoducho prehlásiť, že najmenšie prakticky využiteľné zväčšenie je 3,6-násobok jeho apertúry v palcoch, a najväčšie prakticky využiteľné zväčšenie je 50-násobok jeho apertúry v palcoch. Avšak atmosferické podmienky len zriedkakedy umožnia pozorovateľom s akýmkoľvek teleskopom zväčšenia väčšie ako 400x.

Zdanlivé a skutočné zorné pole

Skutočné zorné pole je vlastne veľkosť oblohy v uhlových mierach, ktorú skutočné vidíme. Pri teleskopoch sa určuje ohniskovou vzdialenosťou objektívu a priemerom zorného poľa okuláru (priemer vstavanej okulárovej clony). Vo vyššie spomenutom príklade sme videli, že zdanlivé zorné pole 1-palcového okulára musí byť 60° aby sme mohli vidieť celý Mesiac teleskopom s ohniskom 120 palcov (305cm). Skutočné zorné pole sa približne rovná podielu zdanlivého zorného poľa a zväčšenia. Zdanlivé zorné pole je pre každý okulár nemenné.

Na rozdiel od refraktorov "zo supermarketu", hvezdárske okuláre sa obyčajne predávajú v dvoch veľkostiach vonkajšieho priemeru okulára – 1,25in (31,7mm) a 2in (50,8mm). Vnútorný priemer okulárového barelu limituje veľkosť clony a tým aj maximálne skutočné zorné pole daného teleskopu. Ak chceme dosiahnúť zdanlivé zorné pole povedzme 50°, potom najdlhšia využiteľná ohnisková vzdialenosť okuláru bude 55mm pri 2in okulári, a 32mm pri 1,25in. Hocičo s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou prinesie len efekt tunelového výhľadu – menšie zväčšenie a zúžené zdanlivé zorné pole bez zmeny skutočného zorného poľa.

Prečo by sme mali chcieť väčšie zdanlivé zorné pole? Jednoducho preto lebo je to väčšia zábava. Taktiež pre dané zväčšenie, väčšie zdanlivé zorné pole znamená väčšie skutočné zorné pole, a to je pekné, najmä v prípade, ak ide o teleskop bez motorčekového pohonu.

Väčšie zdanlivé zorné pole je ako dostať sa bližšie k okienku na kozmickej lodi. 50° pole je veľmi dobré, 65° je pomerne široké a priestranné, a 80° a širšie zorné pole je až vrušujúco realistické, skoro akoby ste boli v samotnom obraze.

V snahe výrobcov o dosiahnutie čo najväčšieho zdanlivého zorného poľa je optický dizajn okulárov čoraz komplikovanejší. Veľa tradičných okulárových konštrukcií nie je schopných priniesť široké zorné pole bez podstatných kompromisov v kvalite obrazu. Naviac, menšie clonové f/číslo teleskopov kladie väčšie nároky na kvalitu okulárov. 4-členný okulár so zdanlivým poľom 65° môže fungovať s teleskopom so svetelnosťou f/15, ale celkom určite prinesie nekvalitný obraz s teleskopom so sveteľnosťou f/5. Na dosiahnutie dobrého obrazu pri f/5 teleskope s okulárom so 65° poľom sa vyžaduje kvalitný aspoň 6-členný okulár.

Aberácie

Optické aberácie, častokrát mylne nazývané deformácie, obmedzujú optický výkon okulárov. Vo všeobecnosti platí, že čím je clonové f/číslo teleskopu nižšie, tým väčšie sú nároky na zložitosť konštrukcie okuláru, ktorý by dokázal priniesť dobrý obraz. Jednoduché 2-členné okuláre typu Huygens a Ramsden so zdanlivým poľom okolo 40° budú pracovať pomerne dobre s teleskopmi s veľkým f/číslom, avšak 2-členná konštrukcia týchto okulárov nemôže byť adekvátne vykorigovaná pre väčšie ako 40° pole či pre teleskopy s malými f/číslami.

Okulár sa nedá posudzovať len podľa názvu optickej konštrukcie. Niektoré ortoskopické okuláre disponujú tripletom a jednoduchou šošovkou, zatiaľčo iné majú duplety a dajú sa nazvať aj okulármi typu Plössl. Dokonca aj Plössl okuláre sa môžu navzájom líšiť svojim dizajnom. Pred kúpou okuláru je rozumné "preklepnúť" si ho alebo sa poradiť s tými (napr. členmi astroklubu), ktorí s nimi pracujú.

Toto sú najbežnejšie chyby okulárov:

Guľová chyba – spôsobuje mäkkosť obrazu v strede zorného poľa. Toto zvyčajne nebýva problém pri troj a viacčlenných okulároch, pokiaľ sa nepoužijú s veľmi rýchlymi objektívmi (malé f/čísla teleskopov).

Axiálna farebná chyba – pri tejto chybe sa objavujú okolo objektov farebné okraje v strede zorného poľa. Len zriedkakedy trpia touto vadou 3- a viacčlenné okuláre a taktiež absentujú aj pri niektorých 2-členných okulároch.

Laterálna farebná chyba – prejavuje sa ako farebné okraje okolo objektov v blízkosti okrajov zorného poľa. Je ťažké túto vadu z okuláru "vydizajnovať", tiež môže súvisieť s nekvalitným výrobným prevedením. Môže pretrvávať aj keď sa okulár použije s teleskopom s vysokým f/číslom.

Koma – spôsobuje, že obraz hviezd má namiesto tvaru kruhu tvar kométy blízko okrajov zorného poľa. Väčšinou sa pri kvalitných okulároch nevyskytuje.

Astigmatizmus – spôsobuje, že sa hviezdy javia ako čiarky, krížiky, alebo štvorce po okrajoch zorného poľa. Je to najvýznamnejší problém širokouhlých okulárov, najmä v kombinácii s teleskopmi s malými clonovými f/číslami. Použitie Barlow šošovky s takýmto okulárom obyčajne dramaticky eliminuje túto chybu.

Zakrivenie zorného poľa – znemožňuje, aby bol obraz ostrý v strede a zároveň po okrajoch zorného poľa.

Deformácia zorného poľa – spôsobuje, že vidíme v skutočnosti rovné objekty ako krivé. Zatiaľčo niektoré okuláre, najmä ortoskopické, sú v tomto ohľade lepšie ako iné, deformácia nie je zvyčajne pri  astronomickom pozorovaní problém.

Malé alebo veľké zväčšenie?

Pri pozorovaní planét a blízkych dvojhviezd sa snažte držať obraz v strede zorného poľa kde väčšina okulárov zobrazuje správne. Odporúčam používať stredne veľké zväčšenia (20x-30x na palec apertúry teleskopu), pretože sa pri nich dá dosiahnúť lepší kontrast ako pri väčších zväčšeniach. Veľké zväčšenia by ste mali používať len ak to umožnia atmosferické podmienky.

Ohniskový pomer teleskopu (podiel ohniskovej vzdialenosti a priemeru šošovky či zrkadla v rovnakých jednotkách) indikuje či je teleskop rýchly (malé f/číslo) alebo pomalý (veľké f/číslo). Teleskopy aj okuláre majú svoju ohniskovú vzdialenosť. Podielom ich ohniskových vzdialeností dokážete vypočítať výsledné zväčšenie akejkoľvek kombinácie teleskop-okulár.  Sky & Telescope illustration by Gregg Dinderman

Hviezdy, pretože sú bodovým zdrojom svetla, sa javia rovnako jasné a veľké pri hocakom primeranom zväčšení. Ak sú ostatné podmienky nezmenené, clonové f/číslo objektívu nemá žiadny vplyv na jasnosť obrazu hviezdy. Mnoho ľudí sa mylne domnieva, že vizuálny obraz v f/5 teleskope je jasnejší ako v prístroji s objektívom f/10. Ak oba teleskopy budú mať rovnakú veľkosť apertúry a používajú sa pri rovnakom zväčšení (samozrejme, že každý s okulárom o inej ohniskovej vzdialenosti), potom budú obrazy z oboch teleskopov rovnako jasné. 

Na rozdiel od hviezd, predĺžený zdroj svetla akým je napríklad Mesiac, planéty, galaxie alebo aj pozadie nočnej oblohy budú s rastúcim zväčšením tmavšie. Jasnosť plochy takéhoto objektu je úmerná ploche výstupnej pupily. Takže, objekt pozorovaný pri výstupnej pupile o priemere 1mm má len 2% plošnej jasnosti, ktorú by mal pri 7mm výstupnej pupile. Nejasné hviezdy sa dajú najlepšie pozorovať pri veľkých zväčšeniach, pretože obraz hviezdy ostáva nezmenený zatiaľčo pozadie stmavne, čo zvýši kontrast obrazu.

Avšak ani pre pozorovanie hmlovín či galaxií nie sú veľké zväčšenia zlé. So zvyšujúcim sa zväčšením pozadie nočnej oblohy tmavne rovnakým pomerom ako tieto objekty, takže kontrast sa nezmení. No s väčším zväčšením sa jemnejšie štruktúry stávajú väčšími, takže aj viditeľnejšími.

Odporúčam vám sadu okulárov, ktoré dávajú výstupnú pupilu o veľkosti 0,5, 1, 2, 4 a 7mm. Kúpte si tie najkvalitnejšie okuláre s čo možno najširším zorným poľom aké si môžete dovoliť, najmä ak používate teleskop s f/4-f/6 objektívom. Okuláre, podobne ako stereo zostava, vylepší celú kolekciu vašich "nahrávok", keď sa rozhodnete modernizovať. Každý okulár aj teleskop má svoju vlastnú osobnosť. Sú návody ako ich používať, no nenájdete v nich žiadne absolútne platné pravdy. Preskúmajte nočnú oblohu s takým širokým diapazónom príslušenstva aký máte k dispozícii. Veľmi skoro zistíte, že každý objekt vám pri rôznych zväčšeniach prinesie iné potešenie.